เสาเหล็ก ออกแบบยังไง? (พื้นฐานการออกแบบเสาเหล็ก)
สำหรับเสาโครงสร้างของอาคาร แน่นอนครับว่า ลักษณะการใช้งานของมันก็คือ การรับน้ำหนักของอาคารนั้นๆ ไม่ว่าจะเป็นน้ำหนักจากพื้น น้ำหนักจากสิ่งของต่างๆ หรือจากคนที่เดินไปเดินมาในอาคาร น้ำหนักทั้งหมดที่ว่านี้ก็จะถูกถ่ายลงมาที่คาน จากนั้นคานก็จะรับหน้าที่เป็นตัวถ่ายแรงต่อไปยังเสา
แรงอัด (compression force) กับเสาเหล็ก
ในทางทฤษฎีแล้วและการใช้งานของเสานั้น เราจะบอกว่าเสามีหน้าที่ในการรับ “แรงอัด” หรือ axial compression force เพียวๆ เลย ดังนั้น “หน่วยแรง” หรือ stress ที่เกิดกระทำกับหน้าตัดก็จะเป็น compressive stress ดังรูปด้านล่างนี้ครับ
แล้วด้วยความที่เหล็ก เป็นวัสดุที่มีความสามารถในการรับแรงดึงที่ดี แต่รับแรงอัดได้ไม่ดีเท่าไหร่ (ซึ่งหากใครเป็นเรียนวิศวกรรมโยธา หรือเคยเห็นการทดสอบกำลังของวัสดุเหล็ก ก็จะมีแต่การทดสอบกำลังรับแรงดึงของวัสดุเท่านั้นครับ)
ดังนั้นแล้ว หากต้องเอาวัสดุเหล็กมารับแรงอัดจริงๆ ซึ่งก็ คือ เอามาใช้เป็นเสาโครงสร้าง มันก็จะเกิดพฤติกรรมการพัง หรือ “การวิบัติ” ที่เราเรียกว่า “การโก่งเดาะ” หรือ buckling ครับ ซึ่งเป็นพฤติกรรมเฉพาะของวัสดุเหล็ก
เนื่องจากเหล็กนั้น เป็นวัสดุที่มีความสามารถในการรับน้ำหนักได้มากกว่าคอนกรีตอยู่แล้ว บวกกับ “ราคาวัสดุของเหล็กที่มีราคาแพง” ก็เลยทำให้เหล็กที่นำมาทำเป็นโครงสร้าง เช่น เสาเหล็ก คานเหล็ก นั้นมีลักษณะที่บาง ชะลูด หากเทียบกับโครงสร้างคอนกรีต
ซึ่งก็เลยเป็นสาเหตุที่ทำให้เกิดการพังวิบัติแบบ buckling นั่นเองครับ
มาตรฐานการออกแบบเสาเหล็ก (steel column design)
สำหรับคำว่า “การออกแบบ” นั้น ในทางปฏิบัติก็คือ การคำนวณหาขนาดของเสาที่เหมาะสม และสามารถรับน้ำหนักที่ถูกมาจากคานได้โดยที่ไม่เกิดการพังทลาย หรือวิบัติ ที่จะทำให้เกิดอันตรายต่อผู้ใช้อาคาร
ซึ่งการออกแบบนี้ ก็ควรที่จะต้องคำนึงถึงความประหยัด คุ้มค่าด้วย คือ เสาเหล็กจะต้องไม่เล็กหรือใหญ่จนเกินไป
โดยทั่วไป หากต้องออกแบบโครงสร้างเหล็ก เราวิศวกรชาวไทยส่วนใหญ่ก็จะคุ้นเคยกับ มาตรฐานการออกแบบของอเมริกา ซึ่งสำหรับการออกแบบโครงสร้างเหล็กก็คงหนีไม่พ้น มาตรฐานการออกแบบจาก American Institute of Steel Construction หรือ AISC ครับ โดยมาตรฐานตัวล่าสุดก็คือ AISC 360-16
ปัจจัยที่มีผลต่อกำลังรับน้ำหนักของ “เสาเหล็ก”
สิ่งที่ส่งให้ต่อกำลังรับน้ำหนักของเสา มีด้วยกัน 3 อย่างหลักๆ ก็คือ
- ขนาดของหน้าตัดเหล็ก (cross-sectional area) – ซึ่งแน่นอนว่ายิ่งเราเลือกใช้เสาเหล็กที่มีขนาดใหญ่ มันก็จะสามารถรับน้ำหนักได้เยอะ แปรผันกันโดยตรง
- ความยาวของเสาเหล็ก – เป็นสิ่งที่มีผลมากๆ ต่อกำลังรับน้ำหนัก พฤติกรรมการพังวิบัติ ของเสาเหล็ก โดยเสาที่มีความยาวมากๆ ก็จะรับน้ำหนักได้น้อย แต่ถ้าเสาที่ความยาวน้อยๆ (สั้นๆ) ก็จะรับน้ำหนักได้มาก
- และตัวสุดท้าย คือ ลักษณะการยึดรั้งที่ปลายเสา (support) – ตัวแปรนี้ก็มีผลมากๆ อีกเช่นเดียวกัน ยกตัวอย่างคือ หากนำเสาที่มีขนาดและความยาวเท่ากัน 2 อัน มาลองเปรียบเทียบกำลังรับน้ำหนักกัน โดยเสาทั้ง 2 นี้ มีการยึดรั้งที่แตกต่างกัน เช่น อันแรกยึดแบบ pinned-pinned ส่วนอักอันยึดแบบ fixed-pinned กำลังรับน้ำหนักก็จะต่างกันอยู่ 2 เท่า โดยประมาณ
ขั้นตอนการคำนวณกำลังรับน้ำหนักของ “เสาเหล็ก”
สำหรับขั้นตอนการคำนวณเสาเหล็ก ที่รับแรงอัดเพียงอย่างเดียวนั้น จะเรียกว่าสามารถทำได้อย่างไม่ยากเลยก็ว่าได้ครับ ซึ่งขั้นตอนของการออกแบบ ก็มีเพียงไม่กี่ขั้นตอนเท่านั้น ดังนี้
- คำนวณ sectional properties ที่จำเป็นต่อการคำนวณ เช่น (1.) ค่า cross sectional area, A (2.) moment of inertia, Ix & Iy (3.) radius of gyration (rx, ry)
- พิจารณาความชะลูดของ element ก่อน – คำนวณว่า flange และ web ของ เสาเหล็กหน้าตัดต่างๆ ที่เลือกมาใช้มีความชะลูดแบบใด ระหว่าง (i) มีความหนาเพียงพอ [compact (non-slender)] หรือ (ii) มีควาหนาไม่เพียงพอ (ชะลูดมาก) [slender]
- หากคำนวณความชะลูดของ element แล้ว ทุก element มีความหนาที่เพียงพอ ก็ให้ไปคำนวณกำลังรับน้ำหนักตาม mode E3
- หากคำนวณความชะลูดของ element ออกมาแล้ว มี element ที่ชะลูด (slender) แล้ว ก็ให้คำนวณหาหน้าตัดประสิทธิผลของเสา (effective area, Ae) ตามหัว mode E7
- พิจารณาความยาวประสิทธิผลของเสา Lc/r (Lc = KL) เทียบกับ threshold ตัวหนึ่งที่มีค่าเท่ากับ 4.71sqrt(E/Fy) หาก Lc/r มีค่าเกินกว่า threshold ก็จะสามารถระบุได้ว่า เสามีพฤติกรรมเป็นแบบ elastic buckling แต่หาก Lc/r มีค่าน้อยกว่า threshold แล้ว เสาก็จะมีพฤติกรรมแบบ inelastic buckling
- คำนวณค่าความเค้นสูงสุด (critical stress, Fcr) ที่เสาสามารถรับได้ และนำไปคูณกับค่าหน้าตัดของเสา (gross area, Ag) หาก element มีความหนาเพียงพอ (E3) หรือนำค่าความเค้นสูงสุด (critical stress, Fcr) ไปคูณกับหน้าตัดประสิทธิผลของเสา (effective area, Ae) หาก element มีความชะลูด (E7)
- เลือกค่ากำลังรับแรงอัดที่น้อยที่สุดมาใช้งาน (compressive strength, phi Pn)
จะเห็นได้ว่า ขั้นตอนในการคำนวณกำลังรับน้ำหนักของเสาเหล็กนั้นไม่ยากเลยใช้ไหมครับ
ซึ่งถ้าหากใครที่กำลังมองหาหรืออยากทราบเรื่องโครงสร้างเหล็กเพิ่มเติม ก็สามารถติดตาม www.facebook.com/welovesteelconstruction ได้เลยนะครับ
สุดท้ายนี้ หากกำลังมองหาตัวช่วยในการออกแบบโครงสร้างเหล็ก ก็สามารถดาวน์โหลด SSI Steel Design mobile application ตัวนี้ได้เลย
